CN107842478B - 透射式激光-电磁场耦合推力器 - Google Patents

Abstract

一种透射式激光‑电磁场耦合推力器，包括激光系统、电磁加速电极组件、工质、透明基底层和静电场组件，聚焦后的激光束从静电场加速正极上开设的圆孔入射到透明基底层上，激光束穿过透明基底层后烧蚀工质进而产生激光等离子体，激光等离子体被静电场加速后依次穿过静电场加速负极上的圆孔以及耐高温绝缘板上的圆孔运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，电磁加速电极间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的作用下产生对等离子体的洛伦兹力，从而使等离子体获得更高的电离率和喷射速率，进而形成推力脉冲。其具备推力可调、推进效率高、推力密度大、污染小等优点。

Description

透射式激光-电磁场耦合推力器

技术领域

本发明涉及一种为微纳卫星分布式卫星编队主动力控制系统提供一种可行推力器，尤其涉及一种利用透射式激光烧蚀固体工质产生激光等离子体，然后利用电场力和洛伦兹力加速的推力器。

背景技术

随着对地探索任务需求的不断增加，对具有成本低、体积小、发射灵活机动、研制周期短、功耗低等特点的微纳卫星的研究成为航天领域的热点。目前，微纳卫星已开展了卫星导航、分布式卫星编队、科学实验、军事侦察、空间环境监测等多方面的研究与验证。其中，分布式卫星编队不仅能完成单颗大卫星难以完成的空间任务，还提高了传统卫星的任务能力水平。但是，微纳卫星在空间飞行时易受到许多外部扰动和环境摄动等影响，比如：大气阻力摄动、太阳辐照压力摄动、地球非球形摄动、三体摄动、电磁干扰等，这些影响会使得微纳卫星分布式卫星编队构形遭到破坏，从而造成分布式卫星编队失去价值。因此，研究人员对作为分布式卫星编队主动力控制系统中的主要推力器的电推力器产生了强烈的兴趣，而脉冲等离子体推力器(简称PPT)作为第一个成功应用于空间飞行的电推力器更是受到了格外的关注。

固体烧蚀型脉冲等离子体推力器(简称APPT)作为PPT的一种，其具有体积小、结构紧凑、冲量高和元冲量小等优点，因此，它非常适合作为微纳卫星的推力器。APPT的工作原理为：首先将储能电容器充电到所需高压；随后点火回路控制火花塞点火并产生少量粒子，这些粒子诱发正负极板间产生高温放电电弧；高温放电电弧烧蚀固体推进剂并将其电离成等离子体；推力器极板间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的作用下产生对等离子体的洛伦兹力；同时，正负极板间未电离的粒子受到放电产生的气动热作用；等离子体夹杂其它粒子在洛伦兹力和气动热力的共同作用下喷出推力器，从而产生一次推力脉冲。尽管APPT具有诸多优点，但是其也存在以下不足之处：一，羽流污染问题；二，存在滞后烧蚀现象，推进剂利用率低；三，火花塞点火失效和易积碳问题。这些不足的存在严重制约着其应用于微纳卫星的进程。

同时，小型的机载激光等离子体微推力器(简称μLPT)也随着新型紧凑的激光系统的快速发展而发展。μLPT的优势是：非常简单和小巧，冲量范围大且易于调节、污染小且易于控制。但是，μLPT的工质利用率和系统效率等有待进一步提高，以满足微纳卫星的应用需求。

发明内容

针对APPT以及μLPT存在的缺陷，本发明目的在于提供一种透射式激光-电磁场耦合推力器，其具备比冲高、推力可调整性高、推进效率高、结构简单、推力密度大、污染小等优点。

为实现本发明之目的，采用以下技术方案予以实现：

一种透射式激光-电磁场耦合推力器，包括激光系统、电磁加速电极组件、工质、透明基底层以及静电场组件，所述激光系统用于发射聚焦后的激光束；所述电磁加速电极组件包括电磁加速电极、电容充电电源和电容单元，电磁加速电极包括电磁加速阴极和电磁加速阳极，电磁加速阳极和电磁加速阴极平行设置且两者之间保有间距，电容充电电源通过导线连接电容单元并给电容单元充电，电容单元的正负端分别通过导线与电磁加速阳极和电磁加速阴极连接，使电磁加速阳极和电磁加速阴极之间存在电势差；所述静电场组件包括静电场加速正极、静电场加速负极以及静电场加速电源，所述静电场加速电源的正负端分别通过导线连接静电场加速正极和静电场加速负极，静电场加速正极和静电场加速负极平行相对设置且两者之间保有间距，静电场加速电源为静电场加速正极和静电场加速负极通电，在静电场加速正极和静电场加速负极之间建立电势差，从而在两者之间形成静电场。

所述静电场加速正极上开设有供激光束穿过的圆孔，静电场加速正极上开设的圆孔与工质一一对应，所述工质设置在静电场加速正极和静电场加速负极之间，所述工质的一侧面与静电场加速负极正对，工质的另一侧面贴覆有一层透明基底层，所述静电场加速正极上开设的圆孔均正对粘附有透明基底层的工质一侧；所述电磁加速电极的一端设置有耐高温绝缘板且由耐高温绝缘板密封，所述耐高温绝缘板上开设有圆孔，所述耐高温绝缘板的外侧设有静电场加速负极，所述静电场加速负极上开设有与耐高温绝缘板上圆孔正对且贯通的圆孔，静电场加速负极以及耐高温绝缘板上开设的圆孔用于供被静电场加速后的等离子体通过。

所述激光系统发射出的聚焦后的激光束从静电场加速正极上开设的圆孔入射到透明基底层上，激光束穿过透明基底层后烧蚀工质进而产生激光等离子体，激光等离子体被静电场加速正极和静电场加速负极之间的静电场加速后依次穿过静电场加速负极上的圆孔以及耐高温绝缘板上的圆孔运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，电磁加速电极间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的作用下产生对等离子体的洛伦兹力，从而使等离子体获得更高的电离率和喷射速率，进而形成推力脉冲。

进一步地，本发明还包括磁场线圈组件，所述磁场线圈组件包括磁场线圈以及磁场线圈电源，磁场线圈电源通过导线连接磁场线圈并给磁场线圈充电；所述磁场线圈包覆在电磁加速电极的外侧壁上，在电磁加速电极的电磁加速阳极和电磁加速阴极之间产生外加磁场。

进一步地，本发明还包括控制系统以及供电系统，控制系统与供电系统连接，供电系统连接磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件中的各个电源，供电系统按照控制系统的指令为磁场线圈电源、电容充电电源以及静电场加速电源提供所需的电能。

进一步地，本发明通过控制系统对供电系统的控制能够控制供电系统提供给磁场线圈电源的供电电压大小，改变该磁场线圈电源输出的电压大小，从而改变磁场线圈的电流大小，进而改变外加磁场的大小。

通过控制系统对供电系统的控制能够控制电容充电电源输出的电压大小，从而改变电容单元充电大小，也即改变电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的电压大小，进而改变放电电流大小。

通过控制系统对供电系统的控制能够改变静电场加速电源的输出电压大小，进而改变静电场加速正极和静电场加速负极之间的电势差，从而改变两者之间静电场的大小。

进一步地，本发明所述激光系统包括给推力器输出脉冲激光的脉冲激光器和聚焦系统，所述聚焦系统设置在脉冲激光器的正前方，用于对脉冲激光器发射出的脉冲激光进行聚焦，脉冲激光器、聚焦系统均与控制系统连接，控制系统控制脉冲激光器的工作，且控制系统通过控制聚焦系统进而能够调整脉冲激光束其聚焦后的光斑大小以及聚焦点位置。

作为本发明的一优选技术方案：所述电磁加速阳极和电磁加速阴极为两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板，磁场线圈将电磁加速阳极和电磁加速阴极包覆在内；电磁加速阳极和电磁加速阴极由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成；电磁加速阳极和电磁加速阴极的形状尺寸相同且平行正对设置或者呈一定张角设置，其形状是矩形、梯形或三角形。所述电磁加速电极的一端设有耐高温绝缘板且由耐高温绝缘板密封。所述静电场加速正极、静电场加速负极以及耐高温绝缘板的形状尺寸相同且相互平行正对；所述静电场加速正极、静电场加速负极以及耐高温绝缘板的中心位置均开设有一圆孔，三个圆孔的圆心在一条直线上；其中所述静电场加速正极上的圆孔面积是静电场加速正极面积的1/500以下；耐高温绝缘板上的圆孔大小与静电场加速负极上的圆孔大小相同，静电场加速负极上的圆孔面积是静电场加速负极面积的1/20以下。磁场线圈的中心轴线、电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的中心轴线、激光系统的中心轴线、静电场加速正极和静电场加速负极的中心轴线以及三个圆孔的圆心均在一条直线上。

所述激光系统发射出的聚焦后的激光束从静电场加速正极上开设的圆孔入射到透明基底层上，激光束穿过透明基底层后烧蚀工质进而产生激光等离子体，激光等离子体被静电场加速正极和静电场加速负极之间的静电场加速后依次穿过静电场加速负极上的圆孔以及耐高温绝缘板上的圆孔运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，电磁加速电极间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的作用下产生对等离子体的洛伦兹力，从而使等离子体获得更高的电离率和喷射速率，进而形成推力脉冲。

作为本发明的一优选技术方案：所述电磁加速阳极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的空心圆筒形结构或者空心圆台结构(即靠近耐高温绝缘板一侧小，出口一侧大的空心圆台结构)，电磁加速阴极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成实心圆柱形结构；电磁加速阴极设置在电磁加速阳极内，磁场线圈包覆在电磁加速阳极的外侧壁上。电磁加速阳极的另一端设有耐高温绝缘板且由耐高温绝缘板密封，所述静电场加速正极、静电场加速负极以及耐高温绝缘板均为半径相同的圆形且相互平行，静电场加速正极、静电场加速负极以及耐高温绝缘板的圆心在同一直线上。在静电场加速正极上且以静电场加速正极的圆心为圆心的一圆周上均匀开设有多个圆孔，静电场加速正极上开设的圆孔用于供聚焦后的激光束通过；在静电场加速负极以及耐高温绝缘板上的相应位置上均开设有与静电场加速正极的圆孔一一正对的圆孔；其中所述静电场加速正极上的圆孔面积是静电场加速正极面积的1/500以下；耐高温绝缘板上的圆孔大小与静电场加速负极上的圆孔大小相同，静电场加速负极上的圆孔面积是静电场加速负极面积的1/20以下。所述激光系统发射出的聚焦后的激光束从静电场加速正极上开设的任一圆孔入射到与该圆孔正对的透明基底层上，激光束穿过透明基底层后烧蚀工质进而产生激光等离子体；静电场加速电源为静电场加速正极和静电场加速负极供电，在静电场加速正极和静电场加速负极之间建立电势差，从而在静电场加速正极和静电场加速负极之间建立静电场；激光等离子体被静电场加速正极和静电场加速负极之间的静电场加速后依次穿过静电场加速负极上的圆孔以及耐高温绝缘板上的圆孔运动到存在一定电势差的电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，电磁加速电极间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的作用下产生对等离子体的洛伦兹力，从而使等离子体获得更高的电离率和喷射速率，进而形成推力脉冲。其中：实心圆柱形的电磁加速阴极的一端伸入空心圆筒形的电磁加速阳极内部，电磁加速阴极的另一端穿过耐高温绝缘板、静电场加速负极以及静电场加速正极其中心开设的供电磁加速阴极穿过并固定支撑的圆孔，电磁加速阴极与静电场加速负极、静电场加速正极之间的接触面上包覆有绝缘材料。

本发明控制系统的作用是对供电系统、磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件和激光系统进行控制，以按照空间任务的需求来对各个电源的输出电压、激光参数和聚焦后光斑大小、位置进行调节，从而改变推力器的相关推进性能。

本发明中供电系统是连接微纳卫星电源系统以及磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件中的各个电源(磁场线圈电源、电容充电电源、静电场加速电源)的中介，它的作用是按照控制系统的指令给各个电源提供所需的电能。

本发明所述耐高温绝缘板以及静电场加速负极上开设有等大、一一相对且贯通的圆孔。圆孔的面积相对于整个静电场加速负极的面积来说很小，圆孔的面积是静电场加速负极面积的1/20以下，以使圆孔对应区域的静电场不受该圆孔的影响，或者影响小到可以忽略。

磁场线圈组件设计的意义在于：磁场线圈在电磁加速阳极和电磁加速阴极间添加额外的磁场以进一步提高推力器的推进性能。所添加的磁场大小可以通过改变磁场线圈电源输出的电压大小来调整，以适应任务需要而提供不同大小的推力和冲量。

本发明耐高温绝缘板的设计用于对静电场加速负极和电磁加速电极进行隔绝，以保证电磁加速阴极和电磁加速阳极不与静电场加速负极导通，同时也能避免在电磁加速阳极和静电场加速负极之间发生放电。耐高温绝缘板的面积足够将整个电磁加速电极的一端完全覆盖，只在耐高温绝缘板上开设用于烧蚀后的等离子体穿过的圆孔。为了防止电磁加速电极之间放电时对耐高温绝缘板的烧蚀，耐高温绝缘板必须使用耐高温烧蚀的绝缘材料，比如陶瓷、高硅氧玻璃纤维等。

相对于现有技术，本发明产生了以下有益技术效果：

1、由于等离子体主要由激光烧蚀产生，所以单次烧蚀工质的质量可精确控制，同时使用了耐高温绝缘板，在电磁加速电极之间放电时不存在滞后烧蚀，这样保证了推力器工作时只有工质被烧蚀和电离，从而保证了推力器推进性能的可控性。同时，这与APPT相比提高了推进效率。

2、激光烧蚀诱导等离子体具有数千米每秒的初速度，此外，具有初速度的等离子体由于先被电场力加速，然后被电磁加速电极之间形成的洛伦兹力进一步加速，因此，有望获得较高的喷射速度，从而大大提高推进性能。

3、透射式激光烧蚀模式烧蚀层由透明基底层和工质两层结构构成，聚焦后的激光从透明基底层一侧入射，激光穿过透明基底层后烧蚀工质，生成的烧蚀产物从与入射相反的方向喷出，因此不存在反射式激光烧蚀模式时推力器产生的羽流对聚焦系统和脉冲激光器污染的问题，从而提高了系统的可靠性。同时，透明基底层对激光烧蚀能产生约束作用，能进一步提高推进性能。

4、因为任何金属、聚合物、含能工质等固体材料都能作为工质，所以工质的可选择性增大且不需要推进剂储箱、管路和阀门等系统。同时，该推力器活动部件很少，因此，推力器结构紧凑，响应速度快，可靠性高。

5、由于可以通过控制系统实现对激光能量大小、光斑大小、烧蚀位置和各个电源(静电场加速电源、电容充电电源、磁场线圈电源)电压大小的调节，所以该推力器功耗、推力和比冲可调性更高。

6、用激光点火取代APPT的火花塞点火，不存在火花塞点火失效和积碳问题。

7、工质在激光烧蚀时已经部分电离，在电磁加速电极之间放电时又会被进一步电离，因此推力器可获得较高的电离率，能量转化效率也相应提高。

综上所述，该透射式激光-电磁场耦合推力器具有推力脉冲可调性高、结构简单、比冲高、污染小等优点，有望为微纳卫星分布式卫星编队主动力控制系统提供一种可行推力器。

附图说明

图1是透射式平行极板型激光-电磁场耦合推力器原理示意图

图2是透射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器原理示意图

图3是透射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器工质供给机构位置示意图

图中标号：

1、控制系统；2、供电系统；3、磁场线圈电源；4、静电场加速电源；5、电容充电电源；6、电容单元；7、工质；8、工质传动机构；9、静电场加速负极；10、磁场线圈；11、电磁加速阳极；12、电磁加速阴极；13、耐高温绝缘板；14、脉冲激光器；15、聚焦系统；16、静电场加速正极；17、透明基底层；18、圆孔；19、绝缘材料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例图中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，做进一步详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

参照图1至图2，本发明提供了2种形式的具体实施例，下面对图1和图2中的具体实施方式进行详细的介绍。

图1和图2提供的是两种透射式激光-电磁场耦合推力器原理示意图，其中图1是透射式平行极板型激光-电磁场耦合推力器原理示意图；图2是透射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器原理示意图。

参照图1，提供了一种透射式平行极板型激光-电磁场耦合推力器的原理示意图，包括控制系统1、供电系统2、磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件、工质传动机构8、工质7、透明基底层17以及激光系统。

控制系统1的作用是对供电系统2、磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件和激光系统进行控制，以按照编队飞行任务的需求来对各个电源的输出电压、激光参数和聚焦后光斑大小、位置进行调节，从而改变推力器的相关推进性能。

供电系统2是连接微纳卫星电源系统以及磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件中的各个电源(静电场加速电源4、电容充电电源5、磁场线圈电源3)的中介，它的作用是按照控制系统1的指令给各个电源提供所需的电能。

所述激光系统用于发射出聚焦后的激光束，所述激光系统包括给推力器输出脉冲激光的脉冲激光器14以及聚焦系统15，所述聚焦系统15设置在脉冲激光器14的正前方，用于对脉冲激光器14发射出的脉冲激光按照要求聚焦以对工质进行烧蚀。控制系统1与脉冲激光器14连接，用于控制脉冲激光器14，脉冲激光器14输出的激光参数比如脉冲激光能量、脉宽、波长、工作频率等可以通过控制系统1进行调节，从而控制推进性能的大小，以完成不同的任务需求。聚焦系统15与控制系统1连接，控制系统1可以控制聚焦系统15进而调整脉冲激光束其聚焦后的光斑大小以及聚焦点位置。

磁场线圈组件包括磁场线圈10、磁场线圈电源3，磁场线圈电源3通过导线连接磁场线圈10并给磁场线圈10充电。所述控制系统1连接供电系统2，所述供电系统2通过导线连接磁场线圈电源3，供电系统2为磁场线圈电源3供电，磁场线圈电源3通过导线连接磁场线圈10并给磁场线圈10充电。通过控制系统1对供电系统2的控制可以控制供电系统2提供给磁场线圈电源3的供电电压的大小，可以改变该磁场线圈电源3输出的电压大小，从而改变磁场线圈10的电流大小，从而改变外加磁场的大小，进而调整推进性能。磁场线圈10的作用：磁场线圈10产生外加磁场，以提高推力器的推进性能。所添加的附加磁场大小可以通过改变磁场线圈电源3输出的电压大小来调整，以满足不同任务对不同推力和冲量的需要。

电磁加速电极组件包括电磁加速电极、电容充电电源5以及电容单元6，电磁加速电极包括电磁加速阳极11和电磁加速阴极12。本实施例中，电磁加速阳极11和电磁加速阴极12为两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板。电磁加速阳极11和电磁加速阴极12由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成。电磁加速阳极11和电磁加速阴极12的形状尺寸相同且平行正对设置或者呈一定张角设置，其形状可以是矩形、梯形、三角形等形状。电容充电电源5通过导线连接电容单元6并给电容单元6充电，电容单元6的正负端分别通过导线与电磁加速阳极和电磁加速阴极连接。当电磁加速阳极和电磁加速阴极之间存在一定的电势差时，在激光烧蚀产生的等离子体被静电场加速后运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生高温放电电弧，使等离子体被加热，并被焦耳热进一步离子化。电磁加速阳极和电磁加速阴极间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的作用下产生对等离子体的洛伦兹力，使等离子体加速排出，从而产生推力脉冲。电容充电电源5与供电系统2连接，供电系统2为电容充电电源5供电。控制系统1连接供电系统2，通过控制系统1对供电系统2的控制可以改变电容充电电源5输出的电压大小，从而改变放电能量的输入，进而改变对等离子体的加速效果，最终改变推力器的推进性能。电容单元6可以为单个电容或者多个电容。

静电场组件包括静电场加速负极9、静电场加速正极16以及静电场加速电源4。所述静电场加速电源4的正负端分别通过导线连接静电场加速正极16和静电场加速负极9。静电场加速正极16与静电场加速负极9平行相对且两者之间保有间距。静电场加速电源4为静电场加速正极16和静电场加速负极9通电，在静电场加速正极16和静电场加速负极9之间建立电势差，且这两者之间的电势差不宜过大，一般不大于300V，以防止两者产生放电。静电场加速正极16和静电场加速负极9的整体外形、尺寸完全相同，两者之间保有一定间距且平行正对，以在两者之间形成稳定的静电场，进而对激光烧蚀产生的等离子体进行加速。静电场加速正极16和静电场加速负极9的材质可以为铜、铝、银、铁等导电固体材料。本实施例中：静电场加速正极16为矩形极板，其中心开设有供聚焦后的激光束通过的圆孔，该圆孔正对粘附有透明基底层的工质一侧。该圆孔的面积与静电场加速正极的面积之比小于1/500，使圆孔的设置基本不影响静电场加速正、负极之间的静电场分布。静电场加速负极9同样为矩形极板，静电场加速负极9的中心开设有供被静电场加速后的等离子体通过的较小圆孔，其圆孔面积与静电场加速负极的面积之比小于1/20，以减小其对静电场加速正、负极之间静电场分布的影响。

本发明的工质7可以为铜、铝、石墨、聚合物、含能材料等能在太空环境中容易保存且能被激光烧蚀产生等离子体的固体材料，所以不像采用气体、液体作为工质的推力器那样需要推进剂储箱、阀门和管路等系统，因此，推力器可以非常简单和紧凑。

工质7设置在静电场加速正极16和静电场加速负极9之间，工质7的一侧面与静电场加速负极9正对，工质7的另一侧面贴覆有一层透明基底层17。工质7和透明基底层17彼此紧挨、正对且彼此间的接触面积相同，且工质7和透明基底层17都为窄长形结构，很窄是为了减少对静电场的影响，由于要源源不断的通过工质传动机构8来更新烧蚀位置，加工成很长是为了增加推力器的工作时间。

工质7和透明基底层17很薄，一般为几十微米，但两者的厚度并不相同，透明基底层17的厚度应该在保证不被激光烧蚀穿的基础上尽量小，而工质7的厚度应该取决于具体使用的工质，工质不同时厚度不同，但是基本原则是保证能被激光烧蚀穿。透明基底层17需采用耐激光烧蚀且透光性好的透明材料，例如聚对苯二甲酸乙二脂(PET)薄膜、醋酸纤维素、聚酰亚胺等，这是为了减少透明基底层17对激光能量的吸收以保证绝大多数激光能量被用来烧蚀工质，同时也保证透明基底层不被烧蚀穿，这一方面能防止激光烧蚀产物对聚焦系统和脉冲激光器的污染，从而影响它们的正常运行；另一方面也能让透明基底层17对激光烧蚀产生约束作用，由此能进一步提高推力器的推进性能。

本发明还包括工质传动机构8，工质传动机构8的作用是给推力器提供工质，以更新烧蚀位置，保证相同激光烧蚀条件下具有同样的烧蚀条件，从而确保基本一致的烧蚀产物，进而确保提供精准的推力。同时，工质传动机构8对透明基底层17和工质7同时更新，这样能保证激光每次穿过透明基底层17时的能量相同，也能防止激光多次穿过透明基底层17而导致其被烧蚀穿孔，从而不能起到预防污染和对激光烧蚀产生约束的作用。

所述磁场线圈10包覆在电磁加速电极的外侧壁上，磁场线圈10的中心轴线、电磁加速阳极11和电磁加速阴极12之间的中心轴线以及激光系统的中心轴线重合。

所述电磁加速电极的一端开口，所述电磁加速电极的另一端由耐高温绝缘板13密封。所述耐高温绝缘板13上开设有供被静电场加速后的等离子体通过的较小圆孔18。所述静电场加速负极9设置在耐高温绝缘板13的外侧，所述静电场加速负极9上开设的圆孔18与耐高温绝缘板13上圆孔18正对且贯通。耐高温绝缘板13位于电磁加速电极与静电场加速负极9之间，用于对两者进行隔绝，以保证电磁加速阴极12和电磁加速阳极11不与静电场加速负极9导通或者在电磁加速阳极11和静电场加速负极9之间发生放电。耐高温绝缘板13的外形、尺寸与静电场加速负极9的外形、尺寸一样，且耐高温绝缘板13上开设的圆孔与静电场加速负极9上开设的圆孔大小相同且位置对应，用于激光烧蚀后的等离子体穿过。为了防止电磁加速阴极12和电磁加速阳极11之间放电时对耐高温绝缘板13的烧蚀而产生像APPT那样的滞后烧蚀现象，耐高温绝缘板13的材质必须是像高硅氧玻璃纤维或陶瓷这样的耐烧蚀材料制成，同时这样也保证了推力器工作时只有工质被烧蚀和电离，从而保证了推力器推进性能的可控性。

所述激光系统发射出的聚焦后的激光束从静电场加速正极16上开设的圆孔入射到透明基底层17上，激光束穿过透明基底层17后烧蚀工质7进而产生激光等离子体。静电场加速电源4为静电场加速正极16和静电场加速负极9供电，在静电场加速正极16和静电场加速负极9之间建立电势差，从而在静电场加速正极16和静电场加速负极9之间建立静电场。激光等离子体被静电场加速正极16和静电场加速负极9之间的静电场加速后依次穿过静电场加速负极9上的圆孔18以及耐高温绝缘板13上的圆孔18运动到存在一定电势差的电磁加速阳极11和电磁加速阴极12之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，电磁加速电极间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的作用下产生对等离子体的洛伦兹力，从而使等离子体获得更高的电离率和喷射速率，进而形成推力脉冲。

如图1所示，工质7的中心轴线、静电场加速正极16的中心轴线、静电场加速负极9的中心轴线、耐高温绝缘板13的中心轴线、电磁加速极板的中心轴线、磁场线圈10的中心轴线、聚焦系统15的中心轴线、脉冲激光器14的中心轴线处于同一直线(图1中的中轴线)上，以保证推力器处于最佳工作状态。

参照图2，提供了一种透射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器的原理示意图。其与图1一样，包括控制系统1、供电系统2、磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件、工质7、透明基底层17、工质传动机构8以及激光系统。图3是透射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器工质供给机构位置示意图。

图1给出的透射式平行极板型激光-电磁场耦合推力器与图2给出的透射式同轴极板型激光-电磁场耦合推力器的不同之处在于：图2中的电磁加速电极组件包括电磁加速电极、电容充电电源5以及电容单元6。电磁加速电极包括电磁加速阳极11和电磁加速阴极12。

在图2所示的实施例中，电磁加速阳极11为由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成空心圆筒形结构或者空心圆台结构(即靠近耐高温绝缘板13一侧小，出口一侧大的空心圆台结构)，电磁加速阴极12为由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成实心圆柱形结构。电磁加速阴极12设置在电磁加速阳极11内且电磁加速阴极12和电磁加速阳极11同轴设置(即电磁加速阴极12和电磁加速阳极11的中心轴线重合)。磁场线圈10包覆在电磁加速阳极11的外侧壁上，磁场线圈10、电磁加速阴极12和电磁加速阳极11同轴设置。

空心圆筒形的电磁加速阳极11的一端开口，所述空心圆筒形的电磁加速阳极11的另一端由圆形的耐高温绝缘板13完全包覆密封，所述耐高温绝缘板13的外侧设有圆形的静电场加速负极9。圆形的静电场加速正极16与圆形静电场加速负极9平行相对且两者之间保有间距，静电场加速正极16、静电场加速负极9与耐高温绝缘板13的横截面大小相同，静电场加速正极16、静电场加速负极9、耐高温绝缘板13、磁场线圈10、电磁加速阴极12和电磁加速阳极11的中心轴线重合。

在耐高温绝缘板13上且以耐高温绝缘板13的圆心为圆心的一圆周上均匀开设有多个圆孔18，如本实施例中为2个圆孔18。在静电场加速负极9上开设有与耐高温绝缘板13上多个圆孔18等大、一一正对且贯通的同等数量的圆孔18，即也为2个圆孔。静电场加速负极9上开设的供被静电场加速后的等离子体通过的圆孔，其圆孔面积与静电场加速负极的面积之比小于1/20，以减小其对静电场加速正、负极之间静电场分布的影响。在静电场加速正极16上的相应位置开设有与静电场加速负极9上多个圆孔一一正对的圆孔，即静电场加速正极16上的圆孔也为2个。静电场加速正极16上开设的圆孔用于供聚焦后的激光束通过。本实施例包括多个工质，静电场加速正极16上开设的每个圆孔均对应一个工质，静电场加速正极16上开设的圆孔均正对粘附有透明基底层的工质一侧。静电场加速正极16上开设的圆孔面积与静电场加速正极的面积之比小于1/500，使圆孔的设置基本不影响静电场加速正、负极之间的静电场分布。本实施例中，每个工质均对应有一个工质传动机构8，工质传动机构8的作用是给推力器提供工质，以更新烧蚀位置，保证相同激光烧蚀条件下具有同样的烧蚀条件，从而确保基本一致的烧蚀产物，进而确保提供精准的推力。同时，工质传动机构8对透明基底层和工质同时更新，这样能保证激光每次穿过透明基底层时的能量相同，也能防止激光多次穿过透明基底层而导致其被烧蚀穿孔，从而不能起到预防污染和对激光烧蚀产生约束的作用。

静电场加速正极16、静电场加速负极9和耐高温绝缘板13上相互正对且彼此贯通的三个圆孔18为一圆孔对，圆孔对中的三个圆孔的圆心在同一直线上。本实施例中有两个圆孔对。在静电场加速正极16、静电场加速负极9和耐高温绝缘板13间开设多对这样的供激光束或烧蚀后产生的激光等离子体穿过的圆孔对，是因为放电时对电磁加速阳、阴极会有烧蚀的现象，如果激光束和烧蚀后产生的激光等离子体长期从固定的一对圆孔对穿过，那么这种电磁加速阳、阴极间的烧蚀现象会更加明显，会影响电磁加速阳、阴极的寿命。因此，为了延长电磁加速阳极11、电磁加速阴极12的工作时间，可以适时使用不同的圆孔对来供激光束和烧蚀后产生的激光等离子体穿过。

本实施例中：磁场线圈的中心轴线、电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的中心轴线、静电场加速正极以及静电场加速负极的中心轴线在一条直线上。

本实施例中，实心圆柱形的电磁加速阴极12的一端伸入空心圆筒形的电磁加速阳极11内部，电磁加速阴极12的另一端穿过耐高温绝缘板13、静电场加速负极9以及静电场加速正极16其中心开设的供电磁加速阴极12穿过并固定支撑的圆孔，电磁加速阴极12与静电场加速负极9、静电场加速正极16之间的接触面上包覆有绝缘材料19，绝缘材料19可以是任意良好的固体绝缘材料，以保证静电场加速负极9和静电场加速正极16不与电磁加速阴极12导通。

所述激光系统发射出的聚焦后的激光束从静电场加速正极16上开设的一圆孔入射到与该圆孔正对的透明基底层17上，激光束穿过透明基底层17后烧蚀工质7进而产生激光等离子体。静电场加速电源4为静电场加速正极16和静电场加速负极9供电，在静电场加速正极16和静电场加速负极9之间建立电势差，从而在静电场加速正极16和静电场加速负极9之间建立静电场。激光等离子体被静电场加速正极16和静电场加速负极9之间的静电场加速后依次穿过静电场加速负极9上的圆孔18以及耐高温绝缘板13上的圆孔18运动到存在一定电势差的电磁加速阳极11和电磁加速阴极12之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，电磁加速电极间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的作用下产生对等离子体的洛伦兹力，从而使等离子体获得更高的电离率和喷射速率，进而形成推力脉冲。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：包括激光系统、电磁加速电极组件、工质、透明基底层以及静电场组件，所述激光系统用于发射聚焦后的激光束；所述电磁加速电极组件包括电磁加速电极、电容充电电源和电容单元，电磁加速电极包括电磁加速阴极和电磁加速阳极，电磁加速阳极和电磁加速阴极平行设置且两者之间保有间距，电容充电电源通过导线连接电容单元并给电容单元充电，电容单元的正负端分别通过导线与电磁加速阳极和电磁加速阴极连接，使电磁加速阳极和电磁加速阴极之间存在电势差；所述静电场组件包括静电场加速正极、静电场加速负极以及静电场加速电源，所述静电场加速电源的正负端分别通过导线连接静电场加速正极和静电场加速负极，静电场加速正极和静电场加速负极平行相对设置且两者之间保有间距，静电场加速电源为静电场加速正极和静电场加速负极通电，在静电场加速正极和静电场加速负极之间建立电势差，从而在两者之间形成静电场；

所述静电场加速正极上开设有供激光束穿过的圆孔，静电场加速正极上开设的圆孔与工质一一对应，所述工质设置在静电场加速正极和静电场加速负极之间，所述工质的一侧面与静电场加速负极正对，工质的另一侧面贴覆有一层透明基底层，所述静电场加速正极上开设的圆孔均正对粘附有透明基底层的工质一侧；所述电磁加速电极的一端设置有耐高温绝缘板且由耐高温绝缘板密封，所述耐高温绝缘板上开设有圆孔，所述耐高温绝缘板的外侧设有静电场加速负极，所述静电场加速负极上开设有与耐高温绝缘板上圆孔正对且贯通的圆孔，静电场加速负极以及耐高温绝缘板上开设的圆孔用于供被静电场加速后的等离子体通过；

所述激光系统发射出的聚焦后的激光束从静电场加速正极上开设的圆孔入射到透明基底层上，激光束穿过透明基底层后烧蚀工质进而产生激光等离子体，激光等离子体被静电场加速正极和静电场加速负极之间的静电场加速后依次穿过静电场加速负极上的圆孔以及耐高温绝缘板上的圆孔运动到电磁加速阳极和电磁加速阴极之间时会诱导产生放电电弧，放电电弧使得激光等离子体加热并进一步离子化，电磁加速电极间迅速变化的交变电场形成自感应磁场，在电磁场的作用下产生对等离子体的洛伦兹力，从而使等离子体获得更高的电离率和喷射速率，进而形成推力脉冲。

2.根据权利要求1所述的透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：还包括磁场线圈组件，所述磁场线圈组件包括磁场线圈以及磁场线圈电源，磁场线圈电源通过导线连接磁场线圈并给磁场线圈充电；所述磁场线圈包覆在电磁加速电极的外侧壁上，在电磁加速电极的电磁加速阳极和电磁加速阴极之间产生外加磁场。

3.根据权利要求2所述的透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：还包括控制系统以及供电系统，控制系统与供电系统连接，供电系统连接磁场线圈组件、电磁加速电极组件、静电场组件中的各个电源，供电系统按照控制系统的指令为磁场线圈电源、电容充电电源以及静电场加速电源提供所需的电能。

4.根据权利要求3所述的透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：通过控制系统对供电系统的控制能够控制供电系统提供给磁场线圈电源的供电电压大小，改变该磁场线圈电源输出的电压大小，从而改变磁场线圈的电流大小，进而改变外加磁场的大小；

通过控制系统对供电系统的控制能够控制电容充电电源输出的电压大小，从而改变电容单元充电大小，也即改变电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的电压大小，进而改变放电电流大小；

通过控制系统对供电系统的控制能够改变静电场加速电源的输出电压大小，进而改变静电场加速正极和静电场加速负极之间的电势差，从而改变两者之间静电场的大小。

5.根据权利要求4所述的透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：所述激光系统包括给推力器输出脉冲激光的脉冲激光器和聚焦系统，所述聚焦系统设置在脉冲激光器的正前方，用于对脉冲激光器发射出的脉冲激光进行聚焦，脉冲激光器、聚焦系统均与控制系统连接，控制系统控制脉冲激光器的工作，且控制系统通过控制聚焦系统进而能够调整脉冲激光束其聚焦后的光斑大小以及聚焦点位置。

6.根据权利要求5所述的透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：所述电磁加速阳极和电磁加速阴极为两块平行相对设置的电磁加速阳极板和电磁加速阴极板，磁场线圈将电磁加速阳极和电磁加速阴极包覆在内；电磁加速阳极和电磁加速阴极由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成；电磁加速阳极和电磁加速阴极的形状尺寸相同且平行正对设置或者呈一定张角设置，其形状是矩形、梯形或三角形。

7.根据权利要求6所述的透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：所述静电场加速正极、静电场加速负极以及耐高温绝缘板的形状尺寸相同且相互平行正对；所述静电场加速正极、静电场加速负极以及耐高温绝缘板的中心位置均开设有一圆孔，三个圆孔的圆心在一条直线上；其中所述静电场加速正极上的圆孔面积是静电场加速正极的面积的1/500以下；耐高温绝缘板上的圆孔大小与静电场加速负极上的圆孔大小相同，静电场加速负极上的圆孔的面积是静电场加速负极面积的1/20以下；

磁场线圈的中心轴线、电磁加速阳极和电磁加速阴极之间的中心轴线、激光系统的中心轴线、静电场加速正极和静电场加速负极的中心轴线以及三个圆孔的圆心均在一条直线上。

8.根据权利要求5所述的透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：所述电磁加速阳极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成的空心圆筒形结构或者空心圆台结构，电磁加速阴极是由耐烧蚀且导电性能良好的金属制成实心圆柱形结构；电磁加速阴极设置在电磁加速阳极内，磁场线圈包覆在电磁加速阳极的外侧壁上；

电磁加速阳极的另一端设有耐高温绝缘板且由耐高温绝缘板密封，所述静电场加速正极、静电场加速负极以及耐高温绝缘板均为半径相同的圆形且相互平行，静电场加速正极、静电场加速负极以及耐高温绝缘板的圆心在同一直线上。

9.根据权利要求8所述的透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：在静电场加速正极上且以静电场加速正极的圆心为圆心的一圆周上均匀开设有多个圆孔，静电场加速正极上开设的圆孔用于供聚焦后的激光束通过；在静电场加速负极以及耐高温绝缘板上的相应位置上均开设有与静电场加速正极的圆孔一一正对的圆孔；其中所述静电场加速正极上的圆孔面积是静电场加速正极的面积的1/500以下；耐高温绝缘板上的圆孔大小与静电场加速负极上的圆孔大小相同，静电场加速负极上的圆孔的面积是静电场加速负极面积的1/20以下；

所述激光系统发射出的聚焦后的激光束从静电场加速正极上开设的任一圆孔入射到与该圆孔正对的透明基底层上，激光束穿过透明基底层后烧蚀工质进而产生激光等离子体；静电场加速电源为静电场加速正极和静电场加速负极供电，在静电场加速正极和静电场加速负极之间建立电势差，从而在静电场加速正极和静电场加速负极之间建立静电场。

10.根据权利要求9所述的透射式激光-电磁场耦合推力器，其特征在于：实心圆柱形的电磁加速阴极的一端伸入空心圆筒形的电磁加速阳极内部，电磁加速阴极的另一端穿过耐高温绝缘板、静电场加速负极以及静电场加速正极其中心开设的供电磁加速阴极穿过并固定支撑的圆孔，电磁加速阴极与静电场加速负极、静电场加速正极之间的接触面上包覆有绝缘材料。